الکترودهای گرافنی فوق شفاف و کشسان

مواد دوبعدی، مانند گرافن، هم برای کاربردهای نیمه‌هادی مرسوم و هم برای کاربردهای نوظهور در الکترونیک انعطاف‌پذیر جذاب هستند. با این حال، استحکام کششی بالای گرافن منجر به شکستگی در کرنش پایین می‌شود و استفاده از خواص الکترونیکی فوق‌العاده آن را در الکترونیک کشسان به چالش می‌کشد. برای فعال کردن عملکرد عالی وابسته به کرنش رساناهای گرافن شفاف، ما نانواسکرول‌های گرافنی را بین لایه‌های گرافن روی هم چیده شده ایجاد کردیم که به عنوان اسکالر گرافن/گرافن چندلایه (MGGs) شناخته می‌شوند. تحت کرنش، برخی از اسکرول‌ها دامنه‌های تکه‌تکه شده گرافن را پل زدند تا یک شبکه نفوذی را حفظ کنند که رسانایی عالی را در کرنش‌های بالا ممکن می‌سازد. MGG های سه‌لایه پشتیبانی شده روی الاستومرها 65٪ از رسانایی اولیه خود را در کرنش 100٪ حفظ کردند، که عمود بر جهت جریان جریان است، در حالی که فیلم‌های سه‌لایه گرافن بدون نانواسکرول تنها 25٪ از رسانایی اولیه خود را حفظ کردند. یک ترانزیستور تمام کربنی کشسان که با استفاده از MGGها به عنوان الکترود ساخته شده است، در کرنش ۱۲۰٪ (موازی با جهت انتقال بار)، بیش از ۹۰٪ عبور جریان از خود نشان داد و ۶۰٪ از جریان خروجی اولیه خود را حفظ کرد. این ترانزیستورهای تمام کربنی بسیار کشسان و شفاف می‌توانند امکان ساخت اپتوالکترونیک کشسان پیچیده را فراهم کنند.
الکترونیک شفاف کشسان، حوزه‌ای رو به رشد است که کاربردهای مهمی در سیستم‌های پیشرفته زیست‌سازگار (1، 2) و همچنین پتانسیل ادغام با الکترونیک نوری کشسان (3، 4) برای تولید رباتیک و نمایشگرهای نرم پیچیده دارد. گرافن خواص بسیار مطلوبی از جمله ضخامت اتمی، شفافیت بالا و رسانایی بالا را از خود نشان می‌دهد، اما کاربرد آن در کاربردهای کشسان به دلیل تمایل به ترک خوردن در کرنش‌های کوچک، با مانع مواجه شده است. غلبه بر محدودیت‌های مکانیکی گرافن می‌تواند قابلیت‌های جدیدی را در دستگاه‌های شفاف کشسان فراهم کند.
خواص منحصر به فرد گرافن، آن را به گزینه‌ای قوی برای نسل بعدی الکترودهای رسانای شفاف تبدیل می‌کند (5، 6). در مقایسه با رایج‌ترین رسانای شفاف مورد استفاده، اکسید قلع ایندیوم [ITO؛ 100 اهم بر مربع (sq) با شفافیت 90٪]، گرافن تک لایه رشد یافته با رسوب بخار شیمیایی (CVD) ترکیبی مشابه از مقاومت صفحه‌ای (125 اهم بر مربع) و شفافیت (97.4٪) دارد (5). علاوه بر این، فیلم‌های گرافن در مقایسه با ITO انعطاف‌پذیری فوق‌العاده‌ای دارند (7). به عنوان مثال، روی یک زیرلایه پلاستیکی، رسانایی آن حتی برای شعاع خمشی به کوچکی 0.8 میلی‌متر نیز قابل حفظ است (8). برای افزایش بیشتر عملکرد الکتریکی آن به عنوان یک رسانای شفاف و انعطاف‌پذیر، کارهای قبلی مواد هیبریدی گرافن را با نانوسیم‌های نقره یک بعدی (1D) یا نانولوله‌های کربنی (CNTs) توسعه داده‌اند (9-11). علاوه بر این، گرافن به عنوان الکترود برای نیمه‌هادی‌های ناهم‌ساختاری چندبعدی (مانند Si توده‌ای دوبعدی، نانوسیم‌ها/نانولوله‌های یک‌بعدی و نقاط کوانتومی صفربعدی) (12)، ترانزیستورهای انعطاف‌پذیر، سلول‌های خورشیدی و دیودهای ساطع‌کننده نور (LED) (13-23) استفاده شده است.
اگرچه گرافن نتایج امیدوارکننده‌ای برای الکترونیک انعطاف‌پذیر نشان داده است، اما کاربرد آن در الکترونیک کشسان به دلیل خواص مکانیکی‌اش محدود شده است (17، 24، 25)؛ گرافن دارای سختی درون صفحه‌ای 340 نیوتن بر متر و مدول یانگ 0.5 TPa است (26). شبکه قوی کربن-کربن هیچ مکانیسم اتلاف انرژی برای کرنش اعمال شده فراهم نمی‌کند و بنابراین به راحتی در کرنش کمتر از 5٪ ترک می‌خورد. به عنوان مثال، گرافن CVD منتقل شده بر روی یک زیرلایه الاستیک پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) تنها می‌تواند رسانایی خود را در کرنش کمتر از 6٪ حفظ کند (8). محاسبات نظری نشان می‌دهد که مچاله شدن و برهمکنش بین لایه‌های مختلف باید به شدت سختی را کاهش دهد (26). با روی هم قرار دادن گرافن در چندین لایه، گزارش شده است که این گرافن دو یا سه لایه تا 30٪ کرنش کشسانی دارد و تغییر مقاومت 13 برابر کمتر از گرافن تک لایه است (27). با این حال، این کشسانی هنوز به طور قابل توجهی پایین‌تر از رساناهای کشسان پیشرفته است (28، 29).
ترانزیستورها در کاربردهای کششی اهمیت دارند زیرا امکان خواندن حسگرهای پیچیده و تجزیه و تحلیل سیگنال را فراهم می‌کنند (30، 31). ترانزیستورهای روی PDMS با گرافن چند لایه به عنوان الکترودهای منبع/درین و ماده کانال می‌توانند عملکرد الکتریکی را تا 5٪ کرنش حفظ کنند (32)، که به طور قابل توجهی کمتر از حداقل مقدار مورد نیاز (~50٪) برای حسگرهای پوشیدنی نظارت بر سلامت و پوست الکترونیکی است (33، 34). اخیراً، یک رویکرد کیریگامی گرافن بررسی شده است و ترانزیستور گیت شده توسط یک الکترولیت مایع می‌تواند تا 240٪ کشیده شود (35). با این حال، این روش به گرافن معلق نیاز دارد که فرآیند ساخت را پیچیده می‌کند.
در اینجا، ما با قرار دادن طومارهای گرافنی (طول حدود ۱ تا ۲۰ میکرومتر، عرض حدود ۰.۱ تا ۱ میکرومتر و ارتفاع حدود ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر) در بین لایه‌های گرافن، به دستگاه‌های گرافنی با قابلیت کشش بالا دست می‌یابیم. ما فرض می‌کنیم که این طومارهای گرافنی می‌توانند مسیرهای رسانایی برای پل زدن بین ترک‌های صفحات گرافنی فراهم کنند و در نتیجه رسانایی بالا را تحت کرنش حفظ کنند. طومارهای گرافنی نیازی به سنتز یا فرآیند اضافی ندارند؛ آنها به طور طبیعی در طول فرآیند انتقال مرطوب تشکیل می‌شوند. با استفاده از طومارهای چندلایه G/G (گرافن/گرافن) (MGGs) الکترودهای کشسان گرافنی (سورس/درین و گیت) و CNTهای نیمه‌رسانا، توانستیم ترانزیستورهای تمام کربنی بسیار شفاف و کشسان را نشان دهیم که می‌توانند تا ۱۲۰٪ کرنش (موازی با جهت انتقال بار) کش بیایند و ۶۰٪ از خروجی جریان اصلی خود را حفظ کنند. این طومار شفاف‌ترین ترانزیستور مبتنی بر کربن تاکنون است و جریان کافی برای راه‌اندازی یک LED معدنی را فراهم می‌کند.
برای فعال کردن الکترودهای گرافن شفاف و کشسان با مساحت بزرگ، گرافن رشد یافته با روش CVD را روی فویل مس انتخاب کردیم. فویل مس در مرکز یک لوله کوارتز CVD معلق شد تا رشد گرافن در هر دو طرف و تشکیل ساختارهای G/Cu/G امکان‌پذیر شود. برای انتقال گرافن، ابتدا یک لایه نازک از پلی (متیل متاکریلات) (PMMA) را برای محافظت از یک طرف گرافن، که آن را گرافن روکار (برعکس برای طرف دیگر گرافن) نامیدیم، پوشش چرخشی دادیم و متعاقباً، کل فیلم (PMMA/گرافن روکار/مس/گرافن زیرکار) در محلول (NH4)2S2O8 خیسانده شد تا فویل مس را اچ کند. گرافن زیرکار بدون پوشش PMMA به ناچار دارای ترک‌ها و نقص‌هایی خواهد بود که اجازه می‌دهد یک اچ‌کننده از آن عبور کند (36، 37). همانطور که در شکل 1A نشان داده شده است، تحت تأثیر کشش سطحی، دامنه‌های گرافن آزاد شده به صورت طومارهایی پیچیده شده و متعاقباً به فیلم باقی مانده G/PMMA روکار متصل می‌شوند. طومارهای top-G/G می‌توانند روی هر زیرلایه‌ای مانند SiO2/Si، شیشه یا پلیمر نرم منتقل شوند. تکرار این فرآیند انتقال چندین بار روی همان زیرلایه، ساختارهای MGG را ایجاد می‌کند.
(الف) تصویر شماتیک از روش ساخت MGGها به عنوان یک الکترود کشسان. در طول انتقال گرافن، گرافن پشتی روی فویل مس در مرزها و نقص‌ها شکسته شد، به شکل‌های دلخواه لوله شد و محکم به لایه‌های بالایی متصل شد و نانواسکرول‌ها را تشکیل داد. کارتون چهارم ساختار MGG انباشته شده را نشان می‌دهد. (ب و ج) توصیفات TEM با وضوح بالا از یک MGG تک لایه، به ترتیب با تمرکز بر گرافن تک لایه (ب) و ناحیه اسکرول (ج). تصویر داخل (ب) یک تصویر با بزرگنمایی کم است که مورفولوژی کلی MGGهای تک لایه را روی شبکه TEM نشان می‌دهد. تصاویر داخل (ج) پروفیل‌های شدت گرفته شده در امتداد جعبه‌های مستطیلی نشان داده شده در تصویر هستند، که در آن فواصل بین صفحات اتمی 0.34 و 0.41 نانومتر است. (د) طیف EEL لبه K کربن با پیک‌های π* و σ* گرافیتی مشخص برچسب گذاری شده است. (ه) تصویر AFM مقطعی از اسکرول‌های G/G تک لایه با پروفیل ارتفاع در امتداد خط نقطه‌چین زرد. (F تا I) تصاویر میکروسکوپ نوری و AFM از سه لایه G بدون (F و H) و با طومار (G و I) به ترتیب روی زیرلایه‌های SiO2/Si با ضخامت 300 نانومتر. طومارها و چین و چروک‌های نمونه برای برجسته کردن تفاوت‌های آنها برچسب‌گذاری شدند.
برای تأیید اینکه این طومارها ماهیتاً گرافن لوله شده هستند، ما مطالعات میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) با وضوح بالا و طیف‌سنجی اتلاف انرژی الکترون (EEL) را روی ساختارهای طوماری تک لایه top-G/G انجام دادیم. شکل 1B ساختار شش ضلعی یک گرافن تک لایه را نشان می‌دهد و شکل داخل تصویر، مورفولوژی کلی فیلم پوشیده شده روی یک سوراخ کربنی واحد از شبکه TEM است. گرافن تک لایه بیشتر شبکه را می‌پوشاند و برخی از پوسته‌های گرافن در حضور چندین پشته از حلقه‌های شش ضلعی ظاهر می‌شوند (شکل 1B). با بزرگنمایی یک طومار منفرد (شکل 1C)، مقدار زیادی از حاشیه‌های شبکه گرافن را مشاهده کردیم که فاصله شبکه در محدوده 0.34 تا 0.41 نانومتر بود. این اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که پوسته‌ها به طور تصادفی لوله شده‌اند و گرافیت کامل نیستند، که فاصله شبکه آن در پشته‌سازی لایه "ABAB" 0.34 نانومتر است. شکل 1D طیف EEL لبه K کربن را نشان می‌دهد، که در آن پیک در 285 eV از اوربیتال π* سرچشمه می‌گیرد و پیک دیگر در حدود 290 eV به دلیل گذار اوربیتال σ* است. می‌توان مشاهده کرد که پیوند sp2 در این ساختار غالب است و تأیید می‌کند که طومارها به شدت گرافیتی هستند.
تصاویر میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) بینشی در مورد توزیع نانواسکرول‌های گرافن در MGGها ارائه می‌دهند (شکل 1، E تا G، و شکل‌های S1 و S2). اسکرول‌ها به صورت تصادفی روی سطح توزیع شده‌اند و چگالی درون صفحه‌ای آنها متناسب با تعداد لایه‌های روی هم چیده شده افزایش می‌یابد. بسیاری از اسکرول‌ها به صورت گره‌هایی در هم تنیده شده‌اند و ارتفاع‌های غیریکنواختی در محدوده 10 تا 100 نانومتر نشان می‌دهند. طول آنها 1 تا 20 میکرومتر و عرض آنها 0.1 تا 1 میکرومتر است که به اندازه پوسته‌های گرافن اولیه آنها بستگی دارد. همانطور که در شکل 1 (H و I) نشان داده شده است، اسکرول‌ها اندازه‌های قابل توجهی بزرگتری نسبت به چین و چروک‌ها دارند که منجر به رابط بسیار ناهموارتری بین لایه‌های گرافن می‌شود.
برای اندازه‌گیری خواص الکتریکی، ما فیلم‌های گرافنی را با یا بدون ساختارهای طوماری و لایه‌های انباشته شده به نوارهایی با عرض 300 میکرومتر و طول 2000 میکرومتر با استفاده از فوتولیتوگرافی الگوسازی کردیم. مقاومت‌های دو پروبی به عنوان تابعی از کرنش در شرایط محیطی اندازه‌گیری شدند. وجود طومار، مقاومت ویژه گرافن تک لایه را 80٪ کاهش داد و تنها 2.2٪ کاهش در عبور نور داشت (شکل S4). این امر تأیید می‌کند که نانو طومارهایی که چگالی جریان بالایی تا 5 × 107 A/cm2 (38، 39) دارند، سهم الکتریکی بسیار مثبتی در MGGها دارند. در میان تمام گرافن‌های ساده تک، دو و سه لایه و MGGها، MGG سه لایه بهترین رسانایی را با شفافیت تقریباً 90٪ دارد. برای مقایسه با سایر منابع گرافن گزارش شده در مقالات، ما همچنین مقاومت‌های صفحه‌ای چهار پروبی (شکل S5) را اندازه‌گیری کردیم و آنها را به عنوان تابعی از عبور در طول موج 550 نانومتر (شکل S6) در شکل 2A فهرست کردیم. MGG رسانایی و شفافیت قابل مقایسه یا بالاتری نسبت به گرافن ساده چند لایه مصنوعی انباشته شده و اکسید گرافن کاهش یافته (RGO) نشان می‌دهد (6، 8، 18). توجه داشته باشید که مقاومت‌های صفحه‌ای گرافن ساده چند لایه مصنوعی انباشته شده از مقالات، کمی بالاتر از MGG ما است، احتمالاً به دلیل شرایط رشد و روش انتقال بهینه نشده آنها.
(الف) مقاومت‌های صفحه چهار پروبی در مقابل عبور در طول موج 550 نانومتر برای چندین نوع گرافن، که در آن مربع‌های سیاه نشان‌دهنده MGGهای تک، دو و سه لایه هستند؛ دایره‌های قرمز و مثلث‌های آبی به ترتیب با گرافن ساده چند لایه رشد یافته روی Cu و Ni از مطالعات Li و همکاران (6) و Kim و همکاران (8) مطابقت دارند و متعاقباً به SiO2/Si یا کوارتز منتقل شده‌اند؛ و مثلث‌های سبز مقادیر RGO در درجات کاهش مختلف از مطالعه Bonaccorso و همکاران (18) هستند. (ب و ج) تغییر مقاومت نرمال شده MGGهای تک، دو و سه لایه و G به عنوان تابعی از کرنش عمود (B) و موازی (C) بر جهت جریان. (د) تغییر مقاومت نرمال شده دو لایه G (قرمز) و MGG (سیاه) تحت بارگذاری کرنش چرخه‌ای تا 50٪ کرنش عمود. (ه) تغییر مقاومت نرمال شده سه لایه G (قرمز) و MGG (سیاه) تحت بارگذاری کرنش چرخه‌ای تا 90٪ کرنش موازی. (و) تغییر ظرفیت خازنی نرمال‌شده‌ی خازن‌های تک، دو و سه‌لایه G و خازن‌های دو و سه‌لایه MGG به عنوان تابعی از کرنش. شکل داخل تصویر، ساختار خازن است که در آن زیرلایه پلیمری SEBS و لایه دی‌الکتریک پلیمری SEBS با ضخامت ۲ میکرومتر است.
برای ارزیابی عملکرد وابسته به کرنش MGG، گرافن را روی زیرلایه‌های ترموپلاستیک الاستومر استایرن-اتیلن-بوتادین-استایرن (SEBS) (عرض حدود ۲ سانتی‌متر و طول حدود ۵ سانتی‌متر) منتقل کردیم و رسانایی با کشیده شدن زیرلایه (به مواد و روش‌ها مراجعه کنید) هم عمود و هم موازی با جهت جریان جریان اندازه‌گیری شد (شکل ۲، B و C). رفتار الکتریکی وابسته به کرنش با افزودن نانواسکرول‌ها و افزایش تعداد لایه‌های گرافن بهبود یافت. به عنوان مثال، هنگامی که کرنش عمود بر جریان جریان است، برای گرافن تک لایه، افزودن اسکرول‌ها، کرنش در شکست الکتریکی را از ۵ به ۷۰ درصد افزایش داد. تحمل کرنش گرافن سه لایه نیز در مقایسه با گرافن تک لایه به طور قابل توجهی بهبود یافته است. با نانواسکرول‌ها، در ۱۰۰٪ کرنش عمود، مقاومت ساختار MGG سه لایه تنها ۵۰٪ افزایش یافت، در مقایسه با ۳۰۰٪ برای گرافن سه لایه بدون اسکرول. تغییر مقاومت تحت بارگذاری کرنش چرخه‌ای بررسی شد. برای مقایسه (شکل 2D)، مقاومت یک فیلم گرافن دولایه ساده پس از حدود 700 سیکل در کرنش عمودی 50٪ حدود 7.5 برابر افزایش یافت و با افزایش کرنش در هر سیکل، این افزایش ادامه یافت. از سوی دیگر، مقاومت یک MGG دولایه تنها پس از حدود 700 سیکل حدود 2.5 برابر افزایش یافت. با اعمال کرنش تا 90٪ در جهت موازی، مقاومت گرافن سه لایه پس از 1000 سیکل حدود 100 برابر افزایش یافت، در حالی که این مقدار در MGG سه لایه تنها حدود 8 برابر است (شکل 2E). نتایج سیکل در شکل S7 نشان داده شده است. افزایش نسبتاً سریع‌تر مقاومت در امتداد جهت کرنش موازی به این دلیل است که جهت ترک‌ها عمود بر جهت جریان است. انحراف مقاومت در طول کرنش بارگذاری و باربرداری به دلیل بازیابی ویسکوالاستیک زیرلایه الاستومر SEBS است. مقاومت پایدارتر نوارهای MGG در طول چرخه به دلیل وجود اسکرول‌های بزرگی است که می‌توانند قسمت‌های ترک‌خورده گرافن را (همانطور که توسط AFM مشاهده شده است) به هم متصل کنند و به حفظ مسیر نفوذ کمک کنند. این پدیده حفظ رسانایی از طریق مسیر نفوذ، قبلاً برای فیلم‌های فلزی یا نیمه‌رسانای ترک‌خورده روی زیرلایه‌های الاستومر گزارش شده است (40، 41).
برای ارزیابی این لایه‌های گرافنی به عنوان الکترودهای گیت در دستگاه‌های کشسان، ما لایه گرافن را با یک لایه دی‌الکتریک SEBS (با ضخامت ۲ میکرومتر) پوشاندیم و تغییر ظرفیت دی‌الکتریک را به عنوان تابعی از کرنش بررسی کردیم (برای جزئیات به شکل ۲F و مطالب تکمیلی مراجعه کنید). مشاهده کردیم که ظرفیت‌های خازنی با الکترودهای گرافنی تک‌لایه و دولایه ساده به دلیل از دست دادن رسانایی درون صفحه‌ای گرافن، به سرعت کاهش یافتند. در مقابل، ظرفیت‌های خازنی گیت شده توسط MGGها و همچنین گرافن سه‌لایه ساده، افزایش ظرفیت خازنی را با کرنش نشان دادند که به دلیل کاهش ضخامت دی‌الکتریک با کرنش مورد انتظار است. افزایش مورد انتظار ظرفیت خازنی با ساختار MGG بسیار خوب مطابقت داشت (شکل S8). این نشان می‌دهد که MGG به عنوان الکترود گیت برای ترانزیستورهای کشسان مناسب است.
برای بررسی بیشتر نقش طومار گرافن یک بعدی بر تحمل کرنش رسانایی الکتریکی و کنترل بهتر جداسازی بین لایه‌های گرافن، از CNT های پوشش داده شده با اسپری برای جایگزینی طومارهای گرافن استفاده کردیم (به مطالب تکمیلی مراجعه کنید). برای تقلید از ساختارهای MGG، سه چگالی از CNT ها (یعنی CNT1) را رسوب دادیم.
(الف تا ج) تصاویر AFM از سه چگالی مختلف CNT (CNT1)
برای درک بیشتر قابلیت آنها به عنوان الکترود برای الکترونیک کشسان، ما به طور سیستماتیک مورفولوژی‌های MGG و G-CNT-G را تحت کرنش بررسی کردیم. میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) روش‌های مؤثری برای توصیف نیستند زیرا هر دو فاقد کنتراست رنگی هستند و SEM در طول اسکن الکترونی هنگامی که گرافن روی زیرلایه‌های پلیمری قرار دارد، در معرض مصنوعات تصویری قرار می‌گیرد (شکل‌های S9 و S10). برای مشاهده درجا سطح گرافن تحت کرنش، اندازه‌گیری‌های AFM را روی MGG های سه لایه و گرافن ساده پس از انتقال به زیرلایه‌های SEBS بسیار نازک (ضخامت ~0.1 میلی‌متر) و الاستیک جمع‌آوری کردیم. به دلیل نقص‌های ذاتی در گرافن CVD و آسیب‌های بیرونی در طول فرآیند انتقال، ترک‌هایی به ناچار روی گرافن کرنش یافته ایجاد می‌شوند و با افزایش کرنش، ترک‌ها متراکم‌تر می‌شوند (شکل 4، A تا D). بسته به ساختار انباشتگی الکترودهای مبتنی بر کربن، ترک‌ها مورفولوژی‌های متفاوتی را نشان می‌دهند (شکل S11) (27). چگالی ناحیه ترک (که به عنوان ناحیه ترک/ناحیه تحلیل‌شده تعریف می‌شود) گرافن چندلایه پس از کرنش کمتر از گرافن تک‌لایه است، که با افزایش رسانایی الکتریکی برای MGGها سازگار است. از سوی دیگر، اغلب مشاهده می‌شود که اسکرول‌ها ترک‌ها را پل می‌زنند و مسیرهای رسانایی اضافی را در فیلم کرنش‌شده فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، همانطور که در تصویر شکل 4B نشان داده شده است، یک اسکرول پهن از روی یک ترک در MGG سه‌لایه عبور می‌کند، اما هیچ اسکرولی در گرافن ساده مشاهده نشد (شکل 4، E تا H). به طور مشابه، CNTها نیز ترک‌های گرافن را پل می‌زنند (شکل S11). چگالی ناحیه ترک، چگالی ناحیه اسکرول و زبری فیلم‌ها در شکل 4K خلاصه شده است.
(A تا H) تصاویر AFM درجا از طومارهای سه لایه G/G (A تا D) و ساختارهای سه لایه G (E تا H) روی یک الاستومر SEBS بسیار نازک (با ضخامت حدود 0.1 میلی‌متر) در کرنش‌های 0، 20، 60 و 100٪. ترک‌ها و طومارهای نماینده با فلش مشخص شده‌اند. تمام تصاویر AFM در ناحیه‌ای به ابعاد 15 میکرومتر × 15 میکرومتر هستند و از همان نوار مقیاس رنگی که برچسب‌گذاری شده است، استفاده می‌کنند. (I) هندسه شبیه‌سازی الکترودهای گرافن تک لایه الگودار روی زیرلایه SEBS. (J) نقشه کانتور شبیه‌سازی حداکثر کرنش لگاریتمی اصلی در گرافن تک لایه و زیرلایه SEBS در کرنش خارجی 20٪. (K) مقایسه چگالی سطح ترک (ستون قرمز)، چگالی سطح طومار (ستون زرد) و زبری سطح (ستون آبی) برای ساختارهای مختلف گرافن.
وقتی لایه‌های نازک MGG کشیده می‌شوند، یک مکانیسم مهم دیگر وجود دارد که این اسکرول‌ها می‌توانند نواحی ترک‌خورده گرافن را پل بزنند و یک شبکه نفوذی را حفظ کنند. اسکرول‌های گرافن امیدوارکننده هستند زیرا می‌توانند ده‌ها میکرومتر طول داشته باشند و بنابراین قادر به پل زدن روی ترک‌هایی هستند که معمولاً در مقیاس میکرومتر هستند. علاوه بر این، از آنجا که این اسکرول‌ها از چند لایه گرافن تشکیل شده‌اند، انتظار می‌رود مقاومت کمی داشته باشند. در مقایسه، شبکه‌های CNT نسبتاً متراکم (با عبور کمتر) برای ارائه قابلیت پل زدن رسانای قابل مقایسه مورد نیاز هستند، زیرا CNTها کوچکتر (معمولاً چند میکرومتر طول) و رسانایی کمتری نسبت به اسکرول‌ها دارند. از سوی دیگر، همانطور که در شکل S12 نشان داده شده است، در حالی که گرافن در طول کشش برای تطبیق با کرنش ترک می‌خورد، اسکرول‌ها ترک نمی‌خورند، که نشان می‌دهد دومی ممکن است روی گرافن زیرین سر بخورد. دلیل اینکه آنها ترک نمی‌خورند، احتمالاً به دلیل ساختار لوله شده‌ی آنها است که از لایه‌های زیادی از گرافن (طول حدود 1 تا 20 میکرومتر، عرض حدود 0.1 تا 1 میکرومتر و ارتفاع حدود 10 تا 100 نانومتر) تشکیل شده است که مدول مؤثر بالاتری نسبت به گرافن تک لایه دارد. همانطور که توسط گرین و هرسام (42) گزارش شده است، شبکه‌های CNT فلزی (قطر لوله 1.0 نانومتر) می‌توانند با وجود مقاومت اتصال زیاد بین CNTها، به مقاومت‌های صفحه‌ای کم <100 اهم بر مربع دست یابند. با توجه به اینکه طومارهای گرافنی ما دارای عرض 0.1 تا 1 میکرومتر هستند و طومارهای G/G دارای سطوح تماس بسیار بزرگتری نسبت به CNTها هستند، مقاومت تماسی و سطح تماس بین گرافن و طومارهای گرافنی نباید عوامل محدود کننده برای حفظ رسانایی بالا باشند.
گرافن مدول بسیار بالاتری نسبت به زیرلایه SEBS دارد. اگرچه ضخامت مؤثر الکترود گرافن بسیار کمتر از زیرلایه است، اما سختی گرافن ضربدر ضخامت آن با زیرلایه قابل مقایسه است (43، 44)، که منجر به یک اثر جزیره‌ای سفت و سخت متوسط ​​می‌شود. ما تغییر شکل یک گرافن با ضخامت 1 نانومتر را روی زیرلایه SEBS شبیه‌سازی کردیم (برای جزئیات بیشتر به مطالب تکمیلی مراجعه کنید). طبق نتایج شبیه‌سازی، هنگامی که 20٪ کرنش به صورت خارجی به زیرلایه SEBS اعمال می‌شود، میانگین کرنش در گرافن تقریباً 6.6٪ است (شکل 4J و شکل S13D)، که با مشاهدات تجربی سازگار است (شکل S13 را ببینید). ما کرنش در نواحی گرافن الگودهی شده و زیرلایه را با استفاده از میکروسکوپ نوری مقایسه کردیم و دریافتیم که کرنش در ناحیه زیرلایه حداقل دو برابر کرنش در ناحیه گرافن است. این نشان می‌دهد که کرنش اعمال شده بر الگوهای الکترود گرافن می‌تواند به طور قابل توجهی محدود شود و جزایر سفت گرافن را روی SEBS تشکیل دهد (26، 43، 44).
بنابراین، توانایی الکترودهای MGG برای حفظ رسانایی بالا تحت کرنش بالا احتمالاً توسط دو مکانیسم اصلی امکان‌پذیر است: (۱) این اسکرول‌ها می‌توانند نواحی جدا شده را به هم متصل کنند تا مسیر نفوذ رسانا را حفظ کنند، و (۲) ورق‌های گرافن/الاستومر چندلایه ممکن است روی یکدیگر بلغزند، که منجر به کاهش کرنش روی الکترودهای گرافن می‌شود. برای چندین لایه گرافن منتقل شده روی الاستومر، لایه‌ها به شدت به یکدیگر متصل نیستند، که ممکن است در پاسخ به کرنش بلغزند (27). اسکرول‌ها همچنین زبری لایه‌های گرافن را افزایش دادند، که ممکن است به افزایش جدایی بین لایه‌های گرافن کمک کند و بنابراین امکان لغزش لایه‌های گرافن را فراهم کند.
دستگاه‌های تمام کربنی به دلیل هزینه کم و توان عملیاتی بالا با اشتیاق دنبال می‌شوند. در مورد ما، ترانزیستورهای تمام کربنی با استفاده از یک گیت گرافنی پایین، یک اتصال سورس/درین گرافنی بالا، یک نیمه‌رسانای CNT مرتب‌شده و SEBS به عنوان دی‌الکتریک ساخته شدند (شکل 5A). همانطور که در شکل 5B نشان داده شده است، یک دستگاه تمام کربنی با CNTها به عنوان سورس/درین و گیت (دستگاه پایین) نسبت به دستگاهی با الکترودهای گرافنی (دستگاه بالا) مات‌تر است. این به این دلیل است که شبکه‌های CNT برای دستیابی به مقاومت‌های صفحه‌ای مشابه با گرافن به ضخامت‌های بزرگتر و در نتیجه، عبوردهی نوری کمتری نیاز دارند (شکل S4). شکل 5 (C و D) منحنی‌های انتقال و خروجی نمونه را قبل از کرنش برای یک ترانزیستور ساخته شده با الکترودهای MGG دولایه نشان می‌دهد. عرض و طول کانال ترانزیستور بدون کرنش به ترتیب 800 و 100 میکرومتر بود. نسبت روشن/خاموش اندازه‌گیری شده با جریان‌های روشن و خاموش به ترتیب در سطوح 10-5 و 10-8 آمپر، بزرگتر از 103 است. منحنی خروجی، رژیم‌های خطی و اشباع ایده‌آل با وابستگی واضح به ولتاژ گیت را نشان می‌دهد که نشان‌دهنده تماس ایده‌آل بین CNTها و الکترودهای گرافن است (45). مقاومت تماسی با الکترودهای گرافن کمتر از مقاومت تماسی با فیلم Au تبخیر شده مشاهده شد (شکل S14 را ببینید). تحرک اشباع ترانزیستور کششی حدود 5.6 cm2/Vs است که مشابه همان ترانزیستورهای CNT مرتب شده با پلیمر روی زیرلایه‌های Si سفت و سخت با SiO2 300 نانومتری به عنوان لایه دی‌الکتریک است. بهبود بیشتر در تحرک با چگالی بهینه لوله و انواع دیگر لوله‌ها امکان‌پذیر است (46).
(الف) طرح ترانزیستور کشسان مبتنی بر گرافن. SWNTها، نانولوله‌های کربنی تک دیواره. (ب) عکس ترانزیستورهای کشسان ساخته شده از الکترودهای گرافن (بالا) و الکترودهای CNT (پایین). تفاوت در شفافیت به وضوح قابل توجه است. (ج و د) منحنی‌های انتقال و خروجی ترانزیستور مبتنی بر گرافن روی SEBS قبل از اعمال کرنش. (ه و و) منحنی‌های انتقال، جریان روشن و خاموش، نسبت روشن/خاموش و تحرک ترانزیستور مبتنی بر گرافن در کرنش‌های مختلف.
وقتی دستگاه شفاف تمام کربنی در جهت موازی با جهت انتقال بار کشیده شد، حداقل تخریب تا کرنش 120٪ مشاهده شد. در طول کشش، تحرک به طور مداوم از 5.6 cm2/Vs در کرنش 0٪ به 2.5 cm2/Vs در کرنش 120٪ کاهش یافت (شکل 5F). ما همچنین عملکرد ترانزیستور را برای طول کانال‌های مختلف مقایسه کردیم (به جدول S1 مراجعه کنید). به طور قابل توجهی، در کرنشی به بزرگی 105٪، همه این ترانزیستورها همچنان نسبت روشن/خاموش بالایی (>103) و تحرک (>3 cm2/Vs) نشان دادند. علاوه بر این، ما تمام کارهای اخیر روی ترانزیستورهای تمام کربنی را خلاصه کردیم (به جدول S2 مراجعه کنید) (47-52). با بهینه‌سازی ساخت دستگاه روی الاستومرها و استفاده از MGGها به عنوان اتصال، ترانزیستورهای تمام کربنی ما عملکرد خوبی از نظر تحرک و هیسترزیس و همچنین قابلیت کشش بالا نشان می‌دهند.
به عنوان کاربردی از ترانزیستور کاملاً شفاف و کشسان، ما از آن برای کنترل سوئیچینگ یک LED استفاده کردیم (شکل 6A). همانطور که در شکل 6B نشان داده شده است، LED سبز را می‌توان به وضوح از طریق دستگاه تمام کربنی کشسان که مستقیماً در بالا قرار دارد، مشاهده کرد. در حالی که تا حدود 100٪ کشیده می‌شود (شکل 6، C و D)، شدت نور LED تغییر نمی‌کند، که با عملکرد ترانزیستور شرح داده شده در بالا سازگار است (به فیلم S1 مراجعه کنید). این اولین گزارش از واحدهای کنترل کشسان ساخته شده با استفاده از الکترودهای گرافن است که امکان جدیدی را برای الکترونیک کشسان گرافن نشان می‌دهد.
(الف) مدار یک ترانزیستور برای راه‌اندازی LED. GND، زمین. (ب) عکس ترانزیستور تمام کربنی کشسان و شفاف با کرنش ۰٪ که بالای یک LED سبز نصب شده است. (ج) ترانزیستور تمام کربنی شفاف و کشسان که برای سوئیچ کردن LED استفاده می‌شود، بالای LED با کرنش ۰٪ (چپ) و تقریباً ۱۰۰٪ (راست) نصب شده است. فلش‌های سفید نشانگرهای زرد روی دستگاه هستند تا تغییر فاصله در حال کشش را نشان دهند. (د) نمای جانبی ترانزیستور کشسان، با LED که به داخل الاستومر فشار داده شده است.
در نتیجه، ما یک ساختار گرافن رسانای شفاف ایجاد کرده‌ایم که به عنوان الکترودهای کشسان، رسانایی بالایی را تحت کرنش‌های بزرگ حفظ می‌کند و این امر توسط نانواسکرول‌های گرافن در بین لایه‌های گرافن روی هم چیده شده امکان‌پذیر می‌شود. این ساختارهای الکترود MGG دو و سه لایه روی یک الاستومر می‌توانند به ترتیب ۲۱ و ۶۵ درصد از رسانایی کرنش ۰٪ خود را در کرنشی تا ۱۰۰ درصد حفظ کنند، در مقایسه با از دست دادن کامل رسانایی در کرنش ۵٪ برای الکترودهای گرافن تک لایه معمولی. مسیرهای رسانایی اضافی اسکرول‌های گرافن و همچنین برهمکنش ضعیف بین لایه‌های منتقل شده به پایداری رسانایی برتر تحت کرنش کمک می‌کنند. ما همچنین از این ساختار گرافن برای ساخت ترانزیستورهای کشسان تمام کربنی استفاده کردیم. تاکنون، این کشسان‌ترین ترانزیستور مبتنی بر گرافن با بهترین شفافیت بدون استفاده از کمانش است. اگرچه مطالعه حاضر برای فعال کردن گرافن برای الکترونیک کشسان انجام شده است، ما معتقدیم که این رویکرد را می‌توان به سایر مواد دوبعدی نیز تعمیم داد تا الکترونیک دوبعدی کشسان را فعال کرد.
گرافن CVD با مساحت بزرگ بر روی فویل‌های مس معلق (99.999٪؛ Alfa Aesar) تحت فشار ثابت 0.5 میلی‌تور با 50-SCCM (سانتی‌متر مکعب استاندارد در دقیقه) CH4 و 20-SCCM H2 به عنوان پیش‌ساز در دمای 1000 درجه سانتیگراد رشد داده شد. هر دو طرف فویل مس با گرافن تک لایه پوشانده شد. یک لایه نازک PMMA (2000 دور در دقیقه؛ A4، Microchem) روی یک طرف فویل مس به صورت چرخشی پوشش داده شد و ساختار PMMA/G/Cu foil/G را تشکیل داد. متعاقباً، کل فیلم به مدت حدود 2 ساعت در محلول 0.1 مولار پرسولفات آمونیوم [(NH4)2S2O8] خیسانده شد تا فویل مس از بین برود. در طول این فرآیند، گرافن پشتی محافظت نشده ابتدا در امتداد مرزهای دانه پاره شد و سپس به دلیل کشش سطحی به صورت طومارهایی لوله شد. طومارها به فیلم گرافن بالایی پشتیبانی شده با PMMA متصل شدند و طومارهای PMMA/G/G را تشکیل دادند. سپس فیلم‌ها چندین بار در آب دیونیزه شسته شده و روی یک زیرلایه هدف، مانند یک زیرلایه سفت SiO2/Si یا پلاستیکی قرار داده شدند. به محض اینکه فیلم چسبیده روی زیرلایه خشک شد، نمونه به ترتیب به مدت 30 ثانیه در استون، استون/IPA (ایزوپروپیل الکل) با نسبت 1:1 و IPA خیسانده شد تا PMMA از آن حذف شود. فیلم‌ها به مدت 15 دقیقه در دمای 100 درجه سانتیگراد گرم شدند یا یک شب در خلاء نگهداری شدند تا آب به دام افتاده به طور کامل از بین برود، قبل از اینکه لایه دیگری از طومار G/G روی آن منتقل شود. این مرحله برای جلوگیری از جدا شدن فیلم گرافن از زیرلایه و اطمینان از پوشش کامل MGGها در طول آزادسازی لایه حامل PMMA بود.
مورفولوژی ساختار MGG با استفاده از میکروسکوپ نوری (Leica) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (1 کیلوولت؛ FEI) مشاهده شد. یک میکروسکوپ نیروی اتمی (Nanoscope III، Digital Instrument) در حالت ضربه زدن برای مشاهده جزئیات طومارهای G به کار گرفته شد. شفافیت فیلم توسط یک طیف‌سنج مرئی-فرابنفش (Agilent Cary 6000i) آزمایش شد. برای آزمایش‌ها، زمانی که کرنش در جهت عمود بر جریان جریان بود، از فوتولیتوگرافی و پلاسمای O2 برای الگودهی ساختارهای گرافن به صورت نوارهایی (با عرض تقریبی 300 میکرومتر و طول تقریبی 2000 میکرومتر) استفاده شد و الکترودهای Au (50 نانومتر) با استفاده از ماسک‌های سایه در دو انتهای ضلع بلند، به صورت حرارتی رسوب داده شدند. سپس نوارهای گرافن با یک الاستومر SEBS (عرض حدود ۲ سانتی‌متر و طول حدود ۵ سانتی‌متر) در تماس قرار گرفتند، به طوری که محور طولی نوارها موازی با ضلع کوتاه SEBS و به دنبال آن حکاکی BOE (حکاکی اکسید بافر شده) (HF:H2O 1:6) و گالیوم ایندیوم یوتکتیک (EGaIn) به عنوان تماس‌های الکتریکی قرار گرفتند. برای آزمایش‌های کرنش موازی، ساختارهای گرافن بدون الگو (حدود ۵ × ۱۰ میلی‌متر) بر روی زیرلایه‌های SEBS منتقل شدند، به طوری که محورهای طولی موازی با ضلع طولی زیرلایه SEBS بودند. برای هر دو مورد، کل G (بدون طومارهای G)/SEBS در امتداد ضلع طولی الاستومر در یک دستگاه دستی کشیده شد و در محل، تغییرات مقاومت آنها را تحت کرنش در یک ایستگاه پروب با یک آنالیزور نیمه‌هادی (Keithley 4200-SCS) اندازه‌گیری کردیم.
ترانزیستورهای تمام کربنی بسیار کشسان و شفاف روی یک زیرلایه الاستیک با روش‌های زیر ساخته شدند تا از آسیب حلال آلی به دی‌الکتریک پلیمر و زیرلایه جلوگیری شود. ساختارهای MGG به عنوان الکترودهای گیت به SEBS منتقل شدند. برای به دست آوردن یک لایه دی‌الکتریک پلیمری لایه نازک یکنواخت (با ضخامت 2 میکرومتر)، محلول تولوئن SEBS (80 میلی‌گرم در میلی‌لیتر) با سرعت 1000 دور در دقیقه به مدت 1 دقیقه روی یک زیرلایه SiO2/Si اصلاح‌شده با اکتادسیل‌تری‌کلروسیلان (OTS) به صورت چرخشی پوشش داده شد. لایه دی‌الکتریک نازک را می‌توان به راحتی از سطح OTS آبگریز به زیرلایه SEBS که با گرافن آماده شده پوشانده شده است، منتقل کرد. می‌توان با رسوب یک الکترود بالایی فلز مایع (EGaIn؛ سیگما-آلدریچ) برای تعیین ظرفیت به عنوان تابعی از کرنش با استفاده از یک متر LCR (القاء، ظرفیت، مقاومت) (Agilent) یک خازن ساخت. بخش دیگر ترانزیستور شامل CNT های نیمه‌رسانای مرتب شده با پلیمر بود که طبق روش‌های گزارش شده قبلی (53) ساخته شده بودند. الکترودهای سورس/درین الگودهی شده بر روی زیرلایه‌های سفت و سخت SiO2/Si ساخته شدند. متعاقباً، دو بخش، دی‌الکتریک/G/SEBS و CNTs/G/SiO2/Si الگودهی شده، به یکدیگر لایه لایه شده و در BOE خیسانده شدند تا زیرلایه سفت و سخت SiO2/Si از بین برود. بنابراین، ترانزیستورهای کاملاً شفاف و کشسان ساخته شدند. آزمایش الکتریکی تحت کرنش بر روی یک دستگاه کشش دستی مانند روش فوق‌الذکر انجام شد.
مطالب تکمیلی برای این مقاله در آدرس http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 موجود است.
شکل S1. تصاویر میکروسکوپ نوری از MGG تک لایه روی زیرلایه‌های SiO2/Si در بزرگنمایی‌های مختلف.
شکل S4. مقایسه مقاومت و عبوردهی صفحات دو پروبی در طول موج 550 نانومتر از گرافن ساده تک لایه، دو لایه و سه لایه (مربع‌های سیاه)، MGG (دایره‌های قرمز) و CNTها (مثلث آبی).
شکل S7. تغییر مقاومت نرمال‌شده‌ی MGG های تک و دولایه (سیاه) و G (قرمز) تحت بارگذاری کرنش چرخه‌ای تقریباً ۱۰۰۰ تا کرنش موازی ۴۰ و ۹۰ درصد، به ترتیب.
شکل S10. تصویر SEM از MGG سه لایه روی الاستومر SEBS پس از کرنش، که یک طومار طویل را روی چندین ترک نشان می‌دهد.
شکل S12. تصویر AFM از MGG سه لایه روی الاستومر SEBS بسیار نازک در کرنش 20٪، که نشان می‌دهد یک طومار از روی یک ترک عبور کرده است.
جدول S1. تحرک‌پذیری ترانزیستورهای نانولوله کربنی تک‌جداره MGG دولایه در طول کانال‌های مختلف قبل و بعد از کرنش.
این یک مقاله با دسترسی آزاد است که تحت شرایط مجوز Creative Commons Attribution-NonCommercial توزیع شده است، که استفاده، توزیع و تکثیر در هر رسانه‌ای را مجاز می‌داند، تا زمانی که استفاده حاصل برای منافع تجاری نباشد و به اثر اصلی به درستی استناد شود.
توجه: ما فقط آدرس ایمیل شما را درخواست می‌کنیم تا شخصی که صفحه را به او توصیه می‌کنید بداند که شما می‌خواستید او آن را ببیند و اینکه این یک ایمیل ناخواسته نیست. ما هیچ آدرس ایمیلی را ثبت نمی‌کنیم.
این سوال برای بررسی این است که آیا شما یک بازدیدکننده انسانی هستید یا خیر و برای جلوگیری از ارسال‌های خودکار اسپم.
توسط نان لیو، الکس چورتوس، تینگ لی، لیهوا جین، تاهو روی کیم، وون-گیو بائه، چنشین ژو، سیهونگ وانگ، رافائل پفاتنر، شی یوان چن، رابرت سینکلر، ژنان بائو
توسط نان لیو، الکس چورتوس، تینگ لی، لیهوا جین، تاهو روی کیم، وون-گیو بائه، چنشین ژو، سیهونگ وانگ، رافائل پفاتنر، شی یوان چن، رابرت سینکلر، ژنان بائو
© 2021 انجمن آمریکایی برای پیشرفت علم. تمامی حقوق محفوظ است. AAAS شریک HINARI، AGORA، OARE، CHORUS، CLOCKSS، CrossRef و COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 است.